Антиматерия

Мы объясним, что такое антиматерия, как она была обнаружена, ее свойства, отличия от материи и где ее можно найти
Антиматерия состоит из антиэлектронов, антинейтронов и антипротонов

Что такое антиматерия?

В физике частиц антивещество известно как тип материи, состоящий из античастиц , а не обычных частиц. Это менее распространенный тип материи

Антиматерия очень похожа на обычную материю, разница лишь в электрическом заряде частиц и в некоторых квантовых числах. Таким образом, антиэлектрон, также называемый позитроном, – это античастица электрона, которая обладает теми же свойствами, что и электрон, за исключением положительного заряда. Антинейтроны, с другой стороны, нейтральны (как и нейтроны), но их магнитные моменты противоположны. Наконец, антипротоны отличаются от протонов тем, что имеют отрицательный заряд

При взаимодействии антиматерия и материя аннигилируют друг с другом через несколько мгновений, высвобождая огромное количество энергии в виде высокоэнергетических фотонов (гамма-лучей) и других пар элементарных частиц-античастиц

физике различие между частицами и античастицами проводится с помощью горизонтальной полосы (макрона) над символами протона (p), электрона (e) и нейтрона (n)

Атомы, состоящие из античастиц, не существуют естественным образом в природе , потому что они аннигилируют с обычной материей. Лишь очень небольшое количество было успешно создано в экспериментах, направленных на образование антиатомов

Открытие антиматерии

Поль Дирак теоретически постулировал существование антиматерии в 1928 году.

Существование антиматерии было теоретизировано в 1928 году английским физиком Полем Дираком (1902-1984), когда он задался целью сформулировать математическое уравнение, объединяющее принципы относительности Альберта Эйнштейна и квантовой физики Нильса Бора

Эта трудная теоретическая работа была успешно разрешена, и из нее был сделан вывод, что должна существовать частица, аналогичная электрону, но с положительным электрическим зарядом. Эта первая античастица была названа антиэлектроном, и теперь известно, что ее встреча с обычным электроном приводит к взаимной аннигиляции и генерации фотонов (гамма-лучей)

Поэтому можно было подумать о существовании антипротонов и антинейтронов. Теория Дирака была подтверждена в 1932 году, когда позитроны были обнаружены при взаимодействии космических лучей с обычной материей

С тех пор наблюдалась взаимная аннигиляция электрона и антиэлектрона. Их встреча представляет собой систему, известную как позитроний, период полураспада которого не превышает 10-10 или 10-7 секунд

Впоследствии на ускорителе частиц в Беркли (Калифорния, 1955 год) удалось получить антипротоны и антинейтроны путем высокоэнергетических атомных столкновений, следуя формуле Эйнштейна E = m.c2 (энергия равна массе умноженной на скорость света в квадрате)

Аналогичным образом в 1995 году Европейской организацией ядерных исследований (ЦЕРН) был получен первый антиатом. Этим европейским физикам удалось создать атом антиматерии водорода или антиводорода, состоящий из позитрона, вращающегося вокруг антипротона

Свойства антиматерии

Атомы материи и антиматерии одинаковы, но имеют противоположные электрические заряды.

Последние исследования антиматерии показывают, что она так же стабильна, как и обычная материя. Однако его электромагнитные свойства обратны свойствам материи

Его было нелегко изучить досконально, учитывая огромные денежные затраты на его производство в лаборатории (около 62,5 миллиардов долларов США за созданный миллиграмм) и очень короткий срок его жизни

Самый успешный случай создания антиматерии в лаборатории длился около 16 минут. Тем не менее, эти недавние эксперименты привели к предположению, что материя и антиматерия могут не обладать совершенно одинаковыми свойствами

Где находится антиматерия?

Это одна из загадок антиматерии, для которой существует множество возможных объяснений. Большинство теорий происхождения Вселенной признают, что в начале существовали одинаковые пропорции материи и антиматерии

Однако в настоящее время наблюдаемая Вселенная, по-видимому, состоит только из обычной материи. Возможные объяснения этого изменения указывают на взаимодействие материи и антиматерии с темной материей или на изначальную асимметрию между количеством материи и антиматерии, произведенной во время Большого взрыва

Мы знаем, что в кольцах Ван Аллена нашей планеты происходит естественное образование античастиц. Эти кольца находятся на расстоянии около двух тысяч километров от поверхности и реагируют таким образом, когда гамма-лучи попадают во внешнюю атмосферу

Это антивещество имеет тенденцию собираться вместе, поскольку в этом регионе недостаточно обычной материи для аннигиляции, и некоторые ученые считают, что такой ресурс может быть использован для извлечения антивещества

Для чего нужна антиматерия?

Позитроны (антиэлектроны) уже используются для компьютерной томографии.

Антиматерия пока не находит широкого практического применения в человеческой промышленности из-за очень высокой стоимости и сложной технологии , связанной с ее производством и обработкой. Однако некоторые приложения уже стали реальностью

Например, проводится позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), которая позволила предположить, что использование антипротонов в лечении рака возможно и, возможно, более эффективно, чем нынешние протонные методы (радиотерапия)

Однако основное применение антиматерии – это источник энергии. Согласно уравнениям Эйнштейна, при аннигиляции материи и антиматерии выделяется столько энергии, что один килограмм аннигилирующей материи/антиматерии будет в десять миллиардов раз продуктивнее любой химической реакции и в десять тысяч раз продуктивнее деления ядер

Если эти реакции можно будет контролировать и использовать, то все отрасли промышленности и даже транспорт изменятся. Например, десять миллиграммов антиматерии могут привести в движение космический корабль до Марса